BG113408A - Force and torque measuring device - Google Patents
Force and torque measuring device Download PDFInfo
- Publication number
- BG113408A BG113408A BG113408A BG11340821A BG113408A BG 113408 A BG113408 A BG 113408A BG 113408 A BG113408 A BG 113408A BG 11340821 A BG11340821 A BG 11340821A BG 113408 A BG113408 A BG 113408A
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- bracket
- mems sensor
- leg
- elements
- periphery
- Prior art date
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
Устройство за измерване на сили и моментиDevice for measuring forces and moments
Област на техникатаField of technique
Настоящото изобретение се отнася до устройство за измерване на сили и въртящи моменти приложени върху изпънително звено на робот или на металорежеща машина. Устройство ще намери приложение за измерване на сили и моменти в технологични процеси като монтаж, рязане и обработка на метали и др. Също така устройството може да намери приложение в екзоскелетони и колаборативни роботи при обучение и взаимодействие с човека.The present invention relates to a device for measuring forces and torques applied to an extension unit of a robot or a metal-cutting machine. A device will find application for measuring forces and moments in technological processes such as assembly, cutting and processing of metals, etc. Also, the device could find application in exoskeletons and collaborative robots in learning and human interaction.
Предшестващо състояние на техникатаPrior art
Известен е „Шест осен силов сензор [1], състоящ се от два елемента разположени в противоположно положение един към друг и четири крака разположени равномерно между двата елемента по периферията им които свързват двата елемента и които се деформират еластично вследствие на прилагане на товар към един от двата елемента, като по този начин позволяват измерване на сили и моменти, действащи върху един от двата елемента, въз основа на откритите деформации генерирани в краката. При това всеки крак е оформен като Т-образен крак, състоящ се от напречна греда простираща се в периферна посока свързана в двата си края с единият елемент и вертикална греда перпендикулярна на напречната греда, свързана с другият елемент. Деформациите на краката се откриват от първи едноосен тензодатчик и втори едноосен тензодатчик, като първият едноосен тензодатчик е прикрепен към повърхността на напречната греда, обърната към страната, противоположна на вертикалната греда или към повърхността на напречната греда, обърната към вертикалната греда, така че да може да се открие деформация, генерирана в напречната греда в надлъжна посока. Вторият едноосен тензодатчик е прикрепен към странична повърхност на вертикална греда, така че да може да открие деформация, генерирана във вертикалната греда по периферна посока.A "Six-axis force sensor [1] is known, consisting of two elements located in opposite positions to each other and four legs located evenly between the two elements along their periphery which connect the two elements and which deform elastically as a result of applying a load to one of the two elements, thus allowing the measurement of forces and moments acting on one of the two elements, based on the detected deformations generated in the legs. In this, each leg is shaped as a T-leg, consisting of a transverse beam extending in a circumferential direction connected at both ends to one element and a vertical beam perpendicular to the transverse beam connected to the other element. Leg deformations are detected by a first uniaxial strain gauge and a second uniaxial strain gauge, the first uniaxial strain gauge being attached to the surface of the cross beam facing the side opposite the vertical beam or to the surface of the cross beam facing the vertical beam so that it can to detect strain generated in the cross beam in the longitudinal direction. The second uniaxial strain gauge is attached to a side surface of a vertical beam so that it can detect strain generated in the vertical beam in a circumferential direction.
Недостатък на „Шест осен силов сензор е, че е чувствителен на шум, поради твърдата механична конструкция с малки деформации, които се отчитат от тензо датчици. Също така за точно измерване на деформациите е нужно прикрепване на тензодатчика в определена точка, където деформациите са най изразени.A disadvantage of the Six-Axis Force Sensor is that it is sensitive to noise due to the rigid mechanical construction with small deformations being sensed by strain gauges. Also, to accurately measure the deformations, it is necessary to attach the strain gauge at a certain point where the deformations are most pronounced.
Техническа същностTechnical essence
Задачата на изобретението е да се създаде устройство за измерване на сили и въртящи моменти, което да е нечувствително на шум при отчитане на силите и моментите, да притежава опростена конструкция лесна за изработване.The task of the invention is to create a device for measuring forces and torques, which is insensitive to noise when reading the forces and moments, has a simplified construction that is easy to manufacture.
Задачата е решена с устройство за измерване на сили и въртящи моменти, състоящо се от два елемента разположени в противоположно положение един към друг и четири крака разположени равномерно между двата елемента по периферията им, които свързват двата елемента и които се деформират еластично вследствие на прилагане на товар към един от двата елемента. Към първият елемент са разположени равномерно четири конзоли по периферията му, които са насочени към другият елемент. Към вторият елемент са разположени равномерно четири други конзоли по периферията му, които са насочени към конзолите на първият елемент без да допират до тях.The task is solved with a device for measuring forces and torques, consisting of two elements located in opposite positions to each other and four legs located evenly between the two elements along their periphery, which connect the two elements and which deform elastically due to the application of load to one of the two elements. To the first element, four consoles are evenly spaced along its periphery, which are directed towards the other element. To the second element, four other consoles are evenly spaced along its periphery, which are directed to the consoles of the first element without touching them.
Първата двойка съответстващи си конзоли се намират по средата между първи крак и втори крак. Втората двойка съответстващи си конзоли се намират по средата между втори крак и трети крак . Третата двойка съответстващи си конзоли се намират по средата между трети крак и четвърти крак. Четвърта двойка съответстващи си конзоли се намират по средата между четвърти крак и първи крак.The first pair of matching brackets are located midway between the first leg and the second leg. The second pair of matching brackets are located midway between the second leg and the third leg. The third pair of matching brackets are located midway between the third leg and the fourth leg. A fourth pair of matching brackets is located midway between the fourth leg and the first leg.
Напречен МЕМС (микро електро механична система) сензор и надлъжен МЕМС сензор са разположени между всяка от съответстващите си конзоли, като единият край на всеки сензор е прикрепен неподвижно към конзолата на първи елемент, а другият край на всеки сензор е прикрепен неподвижно към конзолата на втори елемент.A transverse MEMS (micro electro mechanical system) sensor and a longitudinal MEMS sensor are located between each of their respective cantilevers, one end of each sensor being fixedly attached to the cantilever of a first element and the other end of each sensor being fixedly attached to the cantilever of a second element.
Напречният МЕМС сензор произвежда сигнал, пропорционален на позиционното отклонение създадено от приложеното натоварване на първият елемент спрямо вторият елемент в напречна посока /тангенциална/. Надлъжният МЕМС сензор произвежда сигнал, пропорционален на позиционното отклонение създадено от приложеното натоварване на първият елемент спрямо вторият елемент в надлъжна посока /по оста на устройството/. Приложеното натоварване представлява сила или момент, която води до еластични деформации в четирите крака и отклонение на първият елемент спрямо вторият, което води до отклонение на всяка конзола на първият елемент спрямо съответната конзола на вторият елемент. Преместванията в надлъжна или напречна посока между съответните конзоли се отчита от МЕМС сензорите разположени на тях, като промяна на изходното напрежение, пропорционално на преместването в надлъжно или напречно направление.The transverse MEMS sensor produces a signal proportional to the positional deviation created by the applied load of the first element relative to the second element in the transverse /tangential/ direction. The longitudinal MEMS sensor produces a signal proportional to the positional deviation created by the applied load of the first element relative to the second element in the longitudinal direction /along the axis of the device/. The applied load is a force or moment that causes elastic deformations in the four legs and a deflection of the first member relative to the second, causing each cantilever of the first member to deflect relative to the corresponding cantilever of the second member. Movements in the longitudinal or transverse direction between the corresponding consoles are recorded by the MEMS sensors located on them, as a change in the output voltage, proportional to the movement in the longitudinal or transverse direction.
Предимство на устройството за измерване на сили и въртящи моменти е неговата нечувствителност към шум, тъй като сензорите са монтирани върху твърдите елементи и са независими от еластичните крака и разпределението на напреженията и деформациите по тях. Устройството притежава опростена монолитна конструкция лесна за изработване чрез рязане или електро ерозия.An advantage of the device for measuring forces and torques is its insensitivity to noise, since the sensors are mounted on the rigid elements and are independent of the elastic legs and the distribution of stresses and deformations on them. The device has a simplified monolithic construction that is easy to manufacture by cutting or electro erosion.
Описание на приложените фигуриDescription of attached figures
Изобретението се пояснява по-добре със следните приложени фигури, където:The invention is better explained by the following attached figures, where:
Фигура 1 представлява общ вид с изглед от едната страна на устройството за измерване на сили и моменти.Figure 1 is a general view from one side of the device for measuring forces and moments.
Фигура 2 представлява общ вид с изглед от другата страна на устройството за измерване на сили и моменти.Figure 2 is a general view from the other side of the device for measuring forces and moments.
Фигура 3 представлява надлъжно сечение на устройството за измерване на сили и моменти.Figure 3 is a longitudinal section of the device for measuring forces and moments.
Пример на изпълнениеExample implementation
Изобретението се пояснява по-добре със следният пример.The invention is better explained by the following example.
Устройството за измерване на сили и въртящи моменти се състои от два елемента 1 и 2 разположени в противоположно положение един към друг и четири крака 3, 4, 5 и 6 разположени равномерно между двата елемента 1 и 2 по периферията им, които свързват двата елемента 1 и 2. Към първият елемент 1 са разположени равномерно четири конзоли 7, 8, 9 и 10 по периферията му които са насочени към вторият елемент 2. Към вторият елемент 2 са разположени равномерно четири други конзоли 11,12,13 и 14 по периферията му, насочени към конзолите 7, 8, 9 и 10 на първият елемент 1 без да допират до тях. Първа конзола 7 на първи елемент 1 и първа конзола 11 на втори елемент 2 се намират по средата между първи крак 3 и втори крак 4. Втора конзола 8 на първи елемент 1 и втора конзола 12 на втори елемент 2, се намират по средата между втори крак 4 и трети крак 5. Трета конзола 9 на първи елемент 1 и трета конзола 13 на втори елемент 2 се намират по средата между трети крак 5 и четвърти крак 6. Четвърта конзола 10 на първи елемент 1 четвърта конзола 14 на втори елемент 2 се намират по средата между четвърти крак 6 и първи крак 3. Първи напречен МЕМС сензор 15 и първи надлъжен МЕМС сензор 16 са прикрепен в единият си край върху първа конзола 7 на първи елемент 1, а в другият си край върху първа конзола 11 на втори елемент 2. Втори напречен МЕМС сензор 17 и втори надлъжен МЕМС сензор 18 са прикрепени в единият си край върху втора конзола 8 на първи елемент 1, а в другият си край върху втора конзола 12 на втори елемент 2. Трети напречен МЕМС сензор 19 и трети надлъжен МЕМС сензор 20 са прикрепен в единият си край върху трета конзола 9 на първи елемент 1, а в другият си край върху трета конзола 13 на втори елемент 2. Четвърти напречен МЕМС сензор 21 и четвърти надлъжен МЕМС сензор 22 са прикрепен в единият си край върху четвърта конзола 10 на първи елемент 1, а в другият си край върху четвърта конзола 14 на втори елемент 2.The device for measuring forces and torques consists of two elements 1 and 2 located in an opposite position to each other and four legs 3, 4, 5 and 6 located evenly between the two elements 1 and 2 along their periphery, which connect the two elements 1 and 2. To the first element 1, four consoles 7, 8, 9 and 10 are uniformly located along its periphery, which are directed to the second element 2. To the second element 2, four other consoles 11, 12, 13 and 14 are uniformly located along its periphery , directed to the brackets 7, 8, 9 and 10 of the first element 1 without touching them. The first bracket 7 of the first element 1 and the first bracket 11 of the second element 2 are located midway between the first leg 3 and the second leg 4. The second bracket 8 of the first element 1 and the second bracket 12 of the second element 2 are located midway between the second leg 4 and third leg 5. Third bracket 9 of first element 1 and third bracket 13 of second element 2 are located midway between third leg 5 and fourth leg 6. Fourth bracket 10 of first element 1 fourth bracket 14 of second element 2 are located in the middle between the fourth leg 6 and the first leg 3. The first transverse MEMS sensor 15 and the first longitudinal MEMS sensor 16 are attached at one end to the first bracket 7 of the first element 1 and at the other end to the first bracket 11 of the second element 2. A second transverse MEMS sensor 17 and a second longitudinal MEMS sensor 18 are attached at one end to a second bracket 8 of the first element 1, and at the other end to a second bracket 12 of a second element 2. A third transverse MEMS sensor 19 and a third longitudinal MEMS sensor 20 are closed pen at one end on a third bracket 9 of the first element 1 and at its other end on a third bracket 13 of the second element 2. A fourth transverse MEMS sensor 21 and a fourth longitudinal MEMS sensor 22 are attached at one end on a fourth bracket 10 of first element 1, and at its other end on the fourth bracket 14 of the second element 2.
Използване на изобретениетоUse of the invention
Изобретението може да се ползва по следният начин. Устройството се разполага върху робот или металорежеща машина, като вторият елемент 2 се закрепва неподвижно към робота или машината с болтове. Към първият елемент 1 с помощта на болтове се закрепя хващач на робот или инструмент на металорежеща машина.The invention can be used in the following way. The device is placed on a robot or metal-cutting machine, and the second element 2 is fixedly fixed to the robot or machine with bolts. A robot gripper or a metal-cutting machine tool is attached to the first element 1 using bolts.
При прилагане на произволно пространствено натоварване върху хващача или инструмента, това натоварване се предава на първият елемент 1, в резултат на което се получават еластични деформации в четирите крака 3, 4, 5 и 6 които свързват елемент 1 с елемент 2. В резултат на това елемент 1 се отклонява спрямо елемент 2, което води до отклонение на всички конзоли 7, 8, 9 и 10 на елемент 1 спрямо съответните конзоли 11,12, 13 и 14 на елемент 2. Преместванията на съответните конзоли се предават в двата противоположни края на МЕМС сензорите разположени на тях.When an arbitrary spatial load is applied to the gripper or tool, this load is transmitted to the first element 1, resulting in elastic deformations in the four legs 3, 4, 5 and 6 which connect element 1 to element 2. As a result element 1 deflects relative to element 2, causing all cantilevers 7, 8, 9, and 10 of element 1 to deflect relative to the corresponding cantilevers 11, 12, 13, and 14 of element 2. The displacements of the corresponding cantilevers are transmitted to the two opposite ends of MEMS sensors located on them.
Напречните МЕМС сензори 15,17,19, и 21 притежават чувствителната част, която е с широчина до 3 mm и дебелина от 12 цт до 270 цт. Тази част представлява еластична силициева пластина с подходяща геометрия, включваща 4 пиезосъпротивления свързани в мостова схема. Деформацията на силициевата пластина води до пропорционално изменение на изходното напрежение, пропорционално на преместването в напречно направление.Transverse MEMS sensors 15, 17, 19, and 21 have a sensitive part that is up to 3 mm wide and 12 µm to 270 µm thick. This part is an elastic silicon wafer with a suitable geometry, including 4 piezoresistors connected in a bridge circuit. The deformation of the silicon wafer leads to a proportional change in the output voltage proportional to the displacement in the transverse direction.
Надлъжните МЕМС сензори 16,18, 20, и 22 притежават чувствителната част, която е с широчина до 3 mm и дебелина от 12 цт до 270 цт. Тази част представлява еластична силициева пластина с друга подходяща геометрия, включваща 4 пиезосъпротивления свързани в мостова схема. Деформацията на силициевата пластина води до пропорционално изменение на изходното напрежение, пропорционално на преместването в надлъжно направление.Longitudinal MEMS sensors 16, 18, 20, and 22 have a sensing portion that is up to 3 mm wide and 12 µm to 270 µm thick. This part is an elastic silicon wafer with another suitable geometry, including 4 piezoresistors connected in a bridge circuit. The deformation of the silicon wafer leads to a proportional change in the output voltage proportional to the displacement in the longitudinal direction.
По този начин от осемте МЕМС сензора 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, и 22 се отчитат 8 напрежения vl, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8, които могат да се обединят във вектораThus, from the eight MEMS sensors 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, and 22, 8 voltages vl, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8 are read, which can be combined into the vector
V = [ vl, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8]T V = [vl, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8] T
Тези напрежения се определят от напречни и надлъжни премествания, генерирани от различни сили и моменти.These stresses are determined by transverse and longitudinal displacements generated by various forces and moments.
В най общият случай пространственото натоварване на елемент 1 може да се представи с три сили Fx, Fy, Fz и три момента: Mx, Му, Mz по осите на Декартова координатна система OXYZ, центърът на която О е разположен в центъра на устройството и оста X съвпада с оста на устройството. Натоварването може да се представи чрез вектора F:In the most general case, the spatial load of element 1 can be represented by three forces Fx, Fy, Fz and three moments: Mx, Mu, Mz along the axes of the Cartesian coordinate system OXYZ, the center of which O is located in the center of the device and the axis X coincides with the drive axis. The load can be represented by the vector F:
F = [ Fx, Fy, Fz, Mx, My, Μζ]τ F = [ Fx, Fy, Fz, Mx, My, Μζ] τ
Връзката между силовите натоварвания F и получаваните напрежения от сензорите V може да се намери по корелационен път [1] с помощта на равенствотоThe relationship between the power loads F and the received voltages from the sensors V can be found by correlation [1] using the equation
F = CV (1)F = CV (1)
Където С е калибрационна матрица СП с12 - с18 с = С2‘ .........Where C is a calibration matrix C P with 12 - with 18 with = C2 ' .........
_с61 ...... с68__ with 61 ...... with 68_
Калибрационната матрица С може да се получи експериментално, като се прилагат различни натоварвания F и се направят множество записи от напреженията V на осемте МЕМС сензора. След като се намерят известни връзки между F и V може да се използва уравнението (1) и метода на най-малките квадрати както е предложен в [1] за получаване на матрицата С. След като калибрационната матрица е известна, могат да се измерват шестте компоненти на пространственни сили и моменти чрез отчитане на показанията на осемте МЕМС сензора 15, 16,17, 18,19, 20, 21, и 22 и използване на уравнение (1).The calibration matrix C can be obtained experimentally by applying different loads F and making multiple recordings of the voltages V of the eight MEMS sensors. Once the relationships between F and V are known, one can use equation (1) and the method of least squares as suggested in [1] to obtain the matrix C. Once the calibration matrix is known, the six can be measured components of spatial forces and moments by reading the readings of the eight MEMS sensors 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, and 22 and using equation (1).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG113408A BG67585B1 (en) | 2021-08-16 | 2021-08-16 | Device for measuring forces and torques |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG113408A BG67585B1 (en) | 2021-08-16 | 2021-08-16 | Device for measuring forces and torques |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG113408A true BG113408A (en) | 2023-02-28 |
BG67585B1 BG67585B1 (en) | 2023-11-15 |
Family
ID=89033694
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG113408A BG67585B1 (en) | 2021-08-16 | 2021-08-16 | Device for measuring forces and torques |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG67585B1 (en) |
-
2021
- 2021-08-16 BG BG113408A patent/BG67585B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BG67585B1 (en) | 2023-11-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Templeman et al. | Multi-axis force sensors: A state-of-the-art review | |
KR100199691B1 (en) | 6-component load cell | |
Liang et al. | Design and fabrication of a six-dimensional wrist force/torque sensor based on E-type membranes compared to cross beams | |
JPS5918645B2 (en) | Force and moment sensing device | |
KR102183179B1 (en) | Multi-axis force-torque sensor using straingauges | |
KR101481784B1 (en) | 6-component Loadcell | |
KR101542971B1 (en) | Piezoresistive sensor | |
CN102095534A (en) | Double rood beam high-sensitivity six-dimensional moment sensor | |
CN108981987B (en) | Small-dimension space coupling elastic beam six-dimension force sensor | |
KR100413807B1 (en) | Parallel type 6-axis force-moment measuring device | |
JPS6179129A (en) | Six-axial force sensor | |
Sun et al. | Design and optimization of a novel six-axis force/torque sensor with good isotropy and high sensitivity | |
JP2767766B2 (en) | 6-axis force sensor | |
Huang et al. | Design of a Novel Six-Axis Force/Torque Sensor based on Optical Fibre Sensing for Robotic Applications. | |
CN113574354B (en) | Two-dimensional force sensor | |
BG113408A (en) | Force and torque measuring device | |
JP2023534074A (en) | Multi-DOF Force/Torque Sensors and Robots | |
US20050120809A1 (en) | Robotic force sensing device | |
JP2663144B2 (en) | Robot gripper | |
Yuan et al. | Design and analysis of a 6-DOF force/torque sensor for human gait analysis | |
KR20080016995A (en) | Platform balance | |
KR20220107836A (en) | 3-axis joint torque cell of collaborated robots | |
KR20060132859A (en) | Platform balance for wind tunnel | |
Ha et al. | Elastic structure for a multi-axis forcetorque sensor | |
KR0138568B1 (en) | Force/moment maesuring device |